雙Buck太陽能LED路燈照明控制系統*

劉慶新,程樹英

(福州大學物理與信息工程學院微納器件與太陽能電池研究所，福建福州350108)

太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的無污染的潔凈能源，已被公認為未來解決能源危機的最有效能源。LED燈具有壽命長、高效節能、環保等優勢。因此，把太陽能與LED路燈有機地結合在一起，開發出太陽能LED燈照明控制器非常重要。目前市場上很多太陽能控制器，都是采用直充方式充電，沒有對蓄電池進行管理控制，導致能源利用率不高，可靠性不強[1]。本文所設計的基于STC12C5410AD的雙Buck照明控制器，采用最大功率點充電，充分利用太陽能電池板的能量，對蓄電池進行浮充充電，防止蓄電池假充滿的現象；對LED路燈采用二段式的恒流控制，以增強LED燈的使用壽命，實現了一種環保節能的照明模式，解決了市場上一些太陽能控制器的缺陷，是一種性價較高的產品。

1 系統原理

圖1 系統原理圖

雙Buck太陽能LED路燈照明控制系統原理圖如圖1所示。系統包括：太陽能電池、電壓電流采集模塊、同步Buck模塊、蓄電池、LED路燈和STC智能控制器。太陽能電池組件為系統提供能源，通過采集太陽能電池板上的電壓來判別是白天、黑夜，當檢測電池板的電壓高于一定值時,進入白天模式，此時：STC智能控制器通過所采集的太陽能電池板兩端的電壓和充電電流,控制同步Buck工作，實現對蓄電池的MPPT(Maximum Power Point Tracking)充電，當蓄電池的電壓達到一定值時，進入浮充充電模式，實時采集蓄電池兩端的電壓，防止蓄電池過充、過放；當檢測電池板的電壓小于一定值時，進入黑夜模式,此時：打開并控制后級同步Buck電路，實現對LED路燈的恒流控制[2-3]。

本文研制的路燈照明控制系統主要應用場合是針對戶外或者景觀區地帶。燈具選用單個1 W的LED，6個并聯、3個串聯組成一個18 W的LED路燈，日工作10個小時，前5個小時全功率(P全=18 W)工作,后5個小時半功率(P半=9 W)工作。福州地區峰值日照時數為t峰=3.458 887 8 h(本系統選用3.5 h)，假設路燈系統需要保持的連續陰雨天數d為7天，兩個連續陰雨天之間的間隔數d間為7天，蓄電池放電效率η放為90%，蓄電池放電深度D為0.75,這時蓄電池的容量W蓄為:

W蓄=(t全×P全+t半×P半)÷η放÷D×d=(5 h×18 W+5 h×9 W)÷90%÷0.75×7=1400 Wh

所以選擇12 V、120 Ah的鉛酸蓄電池。

設蓄電池充電效率η充為85%,則蓄電池單日所需的充電量W1為：

W1=(t全×P全+t半×P半)÷η放×(d間+d)/d間=(5 h×18 W+5 h×9 W)÷90%×(7+7)/7=300 Wh

設太陽能電池板的峰值功率為W太，太陽能電池組件系統綜合損失系數為1.1，則：

W太×η充×t峰=W1×1.1

W太×85%×3.5 h=300 Wh×1.1

得W太=110.9 W,所以選擇了一塊峰值功率為115 W的太陽能電池板。

2 系統硬件設計

2.1 充電控制

2.1.1 Buck電路

太陽能最大功率點跟蹤控制所需的DC-DC模塊包括：Buck、Boost、Boost-Buck、Cuk等拓撲方式，通過對四種電路方案的比較，本文選用Buck電路。

為追蹤太陽能最大功率點實現最大能量利用，前級的DC-DC電路曾采用四種Buck驅動方案：利用PMOS做Buck；獨立電源加光耦；基于IR2110的Buck電路；基于IR2104的同步Buck電路。對四種驅動方案進行了比較分析：PMOS由于導通阻抗較大，PMOS發熱嚴重，工作效率低，只適用于電壓值比較低、工作效率要求不高的場合；獨立電源加光耦，需要制作一個獨立電源來隔離光耦兩邊的地；使用IR2110高壓自舉芯片做驅動[4]，必須嚴格遵守工作所需的條件,需加電阻放掉Buck后級儲能濾波電容中的電，才能正常啟動;基于IR2110的Buck電路，防反充二極管須加在Buck電路輸出端,在電流比較小的情況下，工作尚可；當電流較大時，Buck電路中續流二極管的消耗就會增加。為了減小續流二極管的損耗，最后選擇了基于IR2104的同步Buck電路，其電路原理圖如圖2所示。

IR2104芯片內部已經接有下拉電阻到地，其控制端/SD，當系統未開啟工作時，/SD置零，防止開關管誤操作損害開關管和芯片；當系統正常工作時，/SD置1，使能IR2104。IN是PWM信號輸入端，LO是低端MOS管驅動輸出，HO是高端MOS管驅動輸出。IR2104高端利用自舉電路的原理提供高壓懸浮驅動，VCC由12 V鉛酸蓄電池直接提供，通過自舉二極管和自舉電容，周期性地充放電，達到自舉的目的。IR2104最大工作電壓可達到600 V，死區時間為520 ns，是同步Buck電路MOS管驅動的一種可行性方案，能大大提高DC-DC轉換效率。采用同步Buck電路，在后級接一個防倒灌二極管給蓄電池充電，其工作良好。

2.1.2 電流、電壓采集電路

太陽能充電電流采集采用0.03 Ω的采樣電阻進行采樣，并選取MAX4080TASA芯片進行電壓放大，放大倍數為20倍，可檢測到的最大電流達到8.3 A。電壓采集采用電阻分壓降壓的采集方法。模數地加磁珠分離，以減小模擬地對系統的干擾。采集上來的數據通過射隨跟隨器跟隨，以提高所采集數據的精確度。

2.1.3 防雷電路

采用雙層防雷保護措施，選取壓敏電阻接大地和控制前級Buck電路使能端共同作用。當沒有雷電時，壓敏電阻阻值比較大；當有雷電時，壓敏電阻阻值變小，高壓脈沖通過壓敏電阻到地，把能量通過大地流走。當系統檢測到太陽電池板的電壓降到一定值時，就把IR2104的控制端置零，使Buck停止工作，保護后級電路不受雷電的影響。

2.2 放電控制

LED路燈的驅動同樣采用同步Buck電路,其驅動控制電路如圖3所示，通過檢測采集上來的電流信號，STC單片機控制PWM信號輸出,實現恒流控制。采用同步Buck轉換效率可高達95%,容易實現全功率、半功率及各個功率的輸出控制。負載LED的電流采集采用MAX4080TASA，數字地和模擬地通過磁珠隔離，盡量減小地的干擾，能夠實現較好地恒流控制。

3 系統軟件設計

圖4 軟件流程圖

系統軟件流程圖如圖4所示。STC12C5410AD單片機內部集成4路PWM發生器和8路10 bit的A/D轉換器，可直接實現PWM輸出和A/D轉換。系統實時采集太陽能電池板和蓄電池兩端電壓，當檢測到太陽能電池板的電壓大于6 V(6 V是設定的白天標志值)時，延時3 min，在3 min內實時監測電池板電壓，若3 min后電池板電壓仍大于6 V,則進入充電模式：(1)關閉路燈，采集蓄電池電壓，當蓄電池兩端的電壓小于14.7 V時，使能前級Buck電路控制端，采集電壓電流信號，控制單片機調制PWM輸出，采用雙向擾動法實現最大功率點充電[5-6]。(2)當采集的電流小于0.2 A時，進入固定電壓法充電模式，把太陽能電池板的電壓輸出穩在28 V～32 V之間(選擇端電壓為40 V的太陽能板)；(3)當蓄電池電壓上升到14.7 V時，轉為浮充充電模式，蓄電池浮充電壓設為13.6 V～13.8 V。當電池板的電壓降到6 V時，置零前級的Buck電路控制端延時3 min，3 min內實時監測電池板電壓。如果3 min后采集上來的電壓值還是小于6 V，則進入放電模式：使能后級Buck電路控制端，這時路燈點亮，全功率放電，延時5個小時后進入半功率放電模式，系統時刻監測天亮，天亮或延時5個小時結束，則路燈關閉。系統實時采集蓄電池電壓，可以保證過充和過放保護，防止蓄電池損害，實現無人值守工作。

4 實驗結果

系統前級同步Buck電路雙MOS管的驅動波形如圖5所示。由圖可以看出，采用IR2104做同步驅動的波形效果還是較好的，添加電阻限流和二極管加速MOS管結電容的放電，進一步降低了開關損耗，提高了效率。A為Q1管驅動波形圖，B為Q2管驅動波形圖，由于示波器的兩個探頭內部是相連的,所以圖中A和B波形圖都是相對于模擬地的。從圖中可以看出,兩種MOS管的驅動波形能得到很好的互補，能較好地控制同步Buck工作，實現最大功率點跟蹤。

圖5 前級同步Buck驅動波形圖

后級同步Buck電路中雙MOS管Q3、Q4的驅動波形如圖6所示。通過調節占空比可以調節LED的功率。為了合理利用蓄電池中的能量，LED驅動采用恒流驅動方式，全功率為控制PWM波實現2 A恒流輸出，半功率控制PWM波實現1 A恒流LED驅動,通過軟件調節各個時刻的輸出功率。對基于IR2104的同步Buck電路LED驅動方案進行測試發現:當工作頻率為20 kHz、輸出占空比為90%的PWM波時，蓄電池電壓為11.94 V，放電電流為1.777 A，LED兩端電壓為10.199 V，LED燈供電電流為1.977 A，效率高達95.03%。因此可以看出，這是LED恒流驅動的一種可行性方案。

圖6 后級同步Buck驅動波形圖

本文研制的基于STC12C5410AD的雙Buck太陽能照明控制器，可實時采集太陽能電池板電壓，能夠正常準確地檢測出白天、黑夜，利用自舉芯片IR2104實現同步Buck,采用最大功率點和浮充兩種方式對蓄電池進行充電，并對蓄電池進行管理，以防止過充和過放，LED路燈恒流輸出，系統已經正常工作了2個月。雖然防反充二極管選用的是肖特基二極管，但是，損耗還是比較大的。今后將采取一些措施減小防反充二極管的損耗，進一步提高充電效率。

[1]陳尚伍.獨立光伏發電LED照明系統的研究[D].杭州：浙江大學電氣工程學院，2007.

[2]楊曉光，寇臣銳，汪友華.太陽能LED路燈照明控制系統的設計[J].電氣應用，2009，28(3)：28-31.

[3]彭芳，盧滿懷.基于PIC單片機的太陽能路燈智能控制器[J].微型機與應用，2009(20)：67-70.

[4]馬瑞卿，劉衛國.自舉式IR2110集成驅動電路的特殊應用[J].電力電子技術，2000(1)：31-33.

[5]SALAS V,OLIAS E,BARRADO A,et al.Review of the maximum power point tracking algorithms for stand-alone photovoltaic systems[J].Solar Energy Materials&Solar Cells,2006（90）:1555-1578.

[6]HUA C,LIN J.An on-line MPPT algorithm for rapidly changing illuminations of solar arrays[J].Renewable Energy,2003(28):1129-1142.